[发明专利]一种定量评价水泥环气密封完整性的方法

说明书

本发明公开了一种定量评价水泥环气密封完整性的方法，本发明方法可快速经济定量评价井下实际水泥环气密封完整性，可靠性高。包括：S1、获取水泥环表面粗糙度；S2、生成模拟水泥环表面形貌的微凸体实体模型；S3、模拟光滑平板与轴对称正弦微凸体分布的粗糙平板间的弹塑性法向接触，获取套管‑水泥环界面在径向接触压力作用下的单个正弦微凸体接触面积A_ep；S4、获取套管‑水泥环界面微观泄漏通道的周向宽度B；S5、获取套管‑水泥环界面微观泄漏通道的平均高度H；S6、将套管‑水泥环界面微观泄漏通道沿井深分为若干串联单元，获取气体通过套管‑水泥环界面的泄漏体积速率Q_v；S7、将气体泄漏体积速率Q_v与允许泄漏体积速率Q_a对比。

技术领域

本发明属于油气井井筒完整性与安全技术领域，具体涉及一种定量评价水泥环气密封完整性的方法。

背景技术

水泥环作为油气井井筒关键物理屏障之一对于确保气井安全生产至关重要，水泥环气密封失效将引发天然气泄漏、导致气井环空带压，给井筒完整性带来巨大挑战。因此，快速可靠评价水泥环气密封完整性对于气井安全管理至关重要。

现有关于水泥环气密封完整性评价方法主要包括理论法、有限元法和室内实验法。理论法和有限元法通过建立套管-水泥环-地层耦合体宏观接触力学模型来获取水泥环应力并判断水泥环是否发生力学失效，从而定性评价水泥环气密封完整性；室内实验法虽然可以测试小尺寸的套管-水泥环-地层耦合体在不同井下工况参数作用后水泥环是否发生气体泄漏来定量评价水泥环气密封完整性，但实际油气井水泥环封固井段长度一般为几百米至几千米，因此受经济成本、实验时间和实验技术限制，难以通过室内实验快速评价井下实际水泥环的气密封完整性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种定量评价水泥环气密封完整性的方法，本发明方法可快速经济定量评价井下实际水泥环气密封完整性，可靠性高。

本发明的目的是这样实现的：

一种定量评价水泥环气密封完整性的方法，包括如下步骤：

S1、获取采样间距I下的水泥环表面粗糙度R_a；

S2、将水泥环表面视作轴对称正弦微凸体曲面，采用有限元软件生成模拟水泥环表面形貌的微凸体实体模型；

S3、将套管视作光滑平板，将水泥环表面视作轴对称正弦微凸体分布的粗糙平板，采用有限元软件模拟光滑平板与轴对称正弦微凸体分布的粗糙平板间的弹塑性法向接触，获取套管-水泥环界面在径向接触压力作用下的单个正弦微凸体接触面积A_ep；

S4、获取套管-水泥环界面微观泄漏通道的周向宽度B；

S5、获取套管-水泥环界面微观泄漏通道的平均高度H；

S6、将套管-水泥环界面微观泄漏通道沿井深分为若干串联单元，基于流体力学中平行平板模型获取气体通过套管-水泥环界面的泄漏体积速率Q_v；

S7、将步骤S6中计算的气体泄漏体积速率Q_v与允许泄漏体积速率Q_a对比，若满足Q_v≥Q_a，则水泥环气密封完整性失效，反之安全。

优选地，步骤S1中，采用双套管环空模具按照井下实际温度和围压条件在实验室预制获取水泥环，采用触针式表面粗糙度测量仪测量水泥环表面沿周向形貌高度，获取采样间距I下的水泥环表面粗糙度R_a。

优选地，步骤S2中，利用以下公式获取轴对称正弦微凸体曲面：

式中：Z(r)为轴对称正弦微凸体曲面高度，μm；r为轴对称正弦微凸体曲面高度的径向坐标，μm。